首张黑洞照片拍完后,科学家又计划对黑洞 “录像”了

2020/1/10 8:42:19 来源:新浪科技 作者:Sheperd Doeleman 责编:骑士

出品:《科学大家》

撰文:Sheperd Doeleman 天文学家,事件视界望远镜团队负责人,哈佛大学教授

如何去拍摄一个连光线都无法逃脱的天体“黑洞”?设想尽管光线一旦进入黑洞便无法逃离,但是我们可以拍摄它的边缘,就是那些即将落入黑洞之前的气体物质。通过这样的观测,我们也可以去检验爱因斯坦的广义相对论,另一方面,我们也可以把星系核心的黑洞作为人类研究的实验室。

上图是武仙座A,这是在可见光波段拍出的图像,在图片的中间位置,可以看到有恒星密集分布的星系。

虽然武仙座A的照片非常美,但上面这张图才是经典。这是同一区域拍出来的射电波段的图像。从图中我们可以看到两股喷流从星系的内部喷涌而出,延伸超过距离达150万光年。

究竟是什么在驱动这样的能量输出?要知道,这样的喷流释放能量大约相当于200亿颗超新星同时爆发。能够做到的就只有一种可能性,那就是一个快速旋转的超大质量黑洞,大量物质正在快速被吞噬,并同时以接近光速的速度向两侧释放喷流,穿越整个星系,而我所在的实验室的目标正是要深入其中,看能否目睹黑洞边界。

1979年,法国物理学家让·皮埃尔·卢米涅用推导过程,第一次描述了假如人类能直接看到黑洞,将会出现什么效果。他描述说,人类将看到黑洞的“阴影”(shadow),除了圆盘状的边缘之外,黑洞背后的部分也会在上下位置上显示出来。

根据爱因斯坦的广义相对论和德国物理学家史瓦西的研究成果,黑洞的阴影面积是可以计算的,反过来,我们也可以通过这次观测,来验证爱因斯坦的理论是否精确。卢米涅还不满足于推导过程,他绘制出了世界上第一幅黑洞外观的效果图。

通过观察光线在黑洞附近时的弯曲情况,我们可以看到单个光线会绕着事件视界转圈。随着黑洞周围的高温气体产生的光线越来越多,大量光线会从黑洞后方照射过来。

上图是我们现在对于黑洞外观的最佳模拟,使用超级计算机,通过很长时间,占用了无数CPU算力才得到的模拟结果。在这个动图中,你可以清楚的看到光子转动的边界。除此之外,你还能看到大量高温气体朝着黑洞旋转下落的过程。

那么,我们是如何做到这一切的呢?

黑洞边缘的光线,要穿越黑洞旁的高温气体,穿越宇宙空间中的恒星际物质,穿越地球的大气层,并最终被我们观测到,大概也就只有一种波长的光线有可能:那就是波长大约是1毫米左右。而要想对其进行观测,我们将需要一个地球那么大的射电望远镜,另外,它的分辨率相当于你站在美国洛杉矶,能看清波士顿或者纽约一张报纸上的字。

目前,人类不可能造出那么巨大的望远镜,当然,我们也不会那样干。我们使用的是一种叫做“甚长基线干涉”(VLBI)的技术:将分布在世界各地的望远镜连接起来,用极为精准的原子钟校准时间,开展同步观测,其误差每1000万年不超过1秒。这样就相当于构建了一台口径和地球直径相当的巨型射电望远镜。

每台望远镜都会获得海量数据,我们都是用硬盘来存储,并通过快递公司快递硬盘的方式来传输数据,因为数据量太大,在线传输根本满足不了需求。

举个例子,想要从南极望远镜向数据中心在线传输它所采集的所有数据,要花费25年的时间,因此还不如等天气好的时候,用飞机直接把硬盘送走,或许真的没有比用波音747飞机直接运送硬盘更高效的数据传输方式了。

过去的10年里,我们到处联络世界各地的望远镜,西班牙,智利,美国夏威夷和亚利桑那。最终在2017年的4月份,我们成功地协调所有望远镜在精准的同一时间,对同一个黑洞进行了同步观测。

2019年4月10日,EHT合作组宣布,已经成功获得M87核心超大质量黑洞的图像,这张照片就是非常有把握的,扎实的结论。在EHT合作组中,我们每一次做出的决定,或得出结论,都会通过不同算法,或者不同角度,采用两种,三种甚至四种不同角度去验证,如果能得到同样的结果,那么这个结果,我们才会采纳。

首张黑洞照片显示的是相当于650亿倍太阳质量的物质,聚集在一个圆形的光子轨道边界区域范围内的场景,其大小完全符合爱因斯坦的理论预期。图像的中间位置就是事件视界,在其内部,就连光线都无法逃脱;图像的下方比较明亮,这是因为你正在目睹以接近光速的速度,围绕黑洞周围运行的超高温气体物质。当它朝向我们的视线方向运动时,它看上去会更明亮;而在图像的上方,情况反过来,物质远离你而去,它会变得暗淡一些。

这是迄今为止,超大质量黑洞存在的最佳直接证据。而上下不同区域的明亮情况所指示的物质运动情况,可以让我们估算出黑洞转动的自转轴方位。我们也第一次有机会弄清楚,这个质量高达650亿倍太阳质量的巨无霸,在不断吞噬气体物质的同时,其自身方位朝向是如何的,因而可以产生我们在开始时向大家所展示的那种强大喷流。

数十年来,我们只能通过计算机去做模拟,而现在确定了,之前我们所做的都是正确的,我们正在沿着正确的道路前进。

这个黑洞到底有多大呢?以太阳系为例,你就可以看出这个黑洞到底有多大:整个太阳系都可以放进去。迄今飞的最远的人造飞船旅行者1号飞船,也才刚刚飞到事件视界边缘,在这个巨无霸黑洞面前,人类相形见绌。

那么未来我们还将要做什么呢?

完成了首张黑洞照片后,接下来我们要做什么呢?那就是“下一代事件视界望远镜”。做好这件事的关键就是位置。接下来,我们将尝试把望远镜放在我们想要的位置上,而不是像之前那样,只能在现有的望远镜基础上。选择合适的位置能更好地提升观测精度,让图像更加清晰。不过,目前这还只是初步的设想。

作为第一期工程,我们计划在未来3~4年进行设计规划,并在第二期工程期间,开始尝试自行建造许多新的台站。这些台站的望远镜可能不会太大,但我们计划是灵活地使用它们。与此同时,我们的数据带宽将提升4倍,达到256Gb/s。

随着未来观测波段的扩展,数据量也将飞升。此前单波段的数据量已经十分惊人,已超过了超过10PB(编者注:1PB=1024TB),未来的数据量或许会突破100PB。我想,专业人士看到这样的数据量会发抖吧!如何存储,如何运输,如何处理这些数据将成为一个问题。未来,我们将需要新的超高速数据传输技术,或者云数据存储方案等等,各方面都需要做优化。但不管如何,我们的目标是未来不再是拍摄黑洞的静止照片,而是拍摄录像,从而帮助解答一些非常基本的物理学问题。比如,现在的事件视界望远镜无法观测到星系喷流中非常精细的一些扰动和起伏状态,但是下一代事件视界望远镜就可以做到。如此,将可以极大地帮助我们加深对黑洞如何产生星系喷流的认识。

再比如,有了下一代事件视界望远镜,我们将可以尝试拍摄黑洞的实时录像,可以很方便地追踪不同的高温气体团的运动轨迹。

在此之前我们验证了爱因斯坦理论中关于光线在时空中弯曲的预言,而这一次,我们将可以检验爱因斯坦关于高温气体物质在黑洞周围的运动的预言。我们可以测定它围绕黑洞公转一周将需要多少时间,比如半个小时等,结合黑洞的质量数据,我们将可以开展这样的检验。

另外,我们还可以尝试将望远镜放到太空中去。在低地球轨道,甚至地球同步轨道上安置望远镜,从而进一步提升望远镜的整体性能。

首张黑洞照片的问世,离不开“事件视界望远镜国际合作组”的整体努力,这项工作是由来自超过20个国家和地区,60多家大学和研究机构的超过200名科学家共同参与的结果。

在突破奖颁奖典礼现场,Sheperd Doeleman接受了新浪科技等媒体的采访,以下为采访实录:

问:我们银河系中心的超大质量黑洞,它是塑造银河系的主导力量吗?

回答:事实上,银河系中心的黑洞的影响范围,相比于巨大的银河系来说是非常小的。因此对于这个400亿倍太阳质量的黑洞大可不必担忧。但这个黑洞确实会和银河系共同演化,不断吸积物质,吞噬,成长,合并,这其中仍然有很多谜团尚未揭开。因此,关于银河系中央的超大质量黑洞究竟如何与星系共同演化,今天仍然是一个值得探讨的问题。

问:一个黑洞的质量需要有多大,才能向其内部发射探测器而不至于在穿越事件视界时被引潮力撕碎?

回答:这是一个好问题。事实上,存在两种不同类型的黑洞。一种叫做恒星质量黑洞,它是在恒星死亡时诞生的。超新星爆发之后,可能产生一个很小的黑洞。这种黑洞的引潮力非常恐怖,它会撕碎任何穿越它事件视界的物体;而那些超大质量黑洞,比如650亿倍太阳质量,或者400万倍太阳质量这样的黑洞,这样的黑洞太过巨大,以至于你可以毫无察觉地穿越它的事件视界,而完全不知道你自己已经告别这个宇宙了。不过它内部肯定还是存在人类能够感知到的某种边界的。因此这里就有两种边界,一种是你感觉不到的,而另一种就是你会被拉伸成“面条”的地方。

问:黑洞周围气体物质的转动,以及黑洞本身的转动情况会不会对成像工作构成影响?

回答:很棒的问题。我们有一个理论,叫做“黑洞无毛”。也就是说,黑洞就是一个光溜溜的球,外表不会有任何其他东西。黑洞只有两个基本参数:质量和自转。黑洞会自转,我们坚信M87星系核心的黑洞正在自转,因为我们观察到它的南北两极存在高速喷流现象。但在这种情况下,是气体物质在转动,与此同时黑洞本身也在自转。

不过,所有模型都显示,在非常接近黑洞的地方,即便是气体物质与黑洞的转动方向是相反的,黑洞也会带着气体物质一起转,改变后者的转动方向。因此在前面的照片里,由于多普勒效应,我们看到下部区域变亮,上部区域变暗,这正是由于黑洞自转产生的结果,这也是为何我们可以得知黑洞自转轴方位的原因。但这并不会对我们的成像工作带来多大的帮助,因为我们已经从我们拍摄的非常清晰的图像中了解到了这一点。

问:为什么1毫米左右的波段成为最佳观测选择?

回答:在这场宇宙大堵车事件中,所有气体都朝着黑洞的事件视界下落,剧烈的摩擦会产生极高的温度,就像你摩擦双手会感到发热一样,这是一样的原理。那里的气体温度可以被加热到数十亿摄氏度,因此会发光。这也是为何我们能够看到它们的原因。因此你需要找到一种合适的波段,该波段的光线应该产生于引力势阱深处,尽可能接近黑洞的位置上,并且还要能够从那里顺利逃脱。而毫米波可以做到这一点,很多其他波长的光线却做不到。

随后,它还必须穿越星系本身,M87星系其中有很多恒星际介质,会散射不同波长的光子;再接下来,它还得经受星系际介质的考验,不过那都是比较稀疏的;最后,它还要穿过地球大气层才能抵达我们的设备。

光是这些,我们就可以排除掉很多波段,比如红外线,可见光的红色光,X射线,以及其他很多波段都不行了。但是1毫米波长就符合条件,可以穿过所有这些障碍,并且它也是黑洞释放能量的主要波段之一。因此毫不奇怪的,它成了首选。

问:你们用了四种不同的方法来处理数据来确保正确性。既然现在已经得到了正确的图像,在未来处理其他后续图像时,你们还会继续用四种不同算法去做吗?还是说既然已经有了得到验证的行之有效的方法,就按这个方法就好?

回答:这是一个很好的问题。我现在就可以告诉你,我们目前正在处理拍摄的银河系中心黑洞,也就是所谓“半人马座A*”的图像数据。我们仍然采用的是四种算法分别进行的模式,因为银河系中心的黑洞质量要比M87的那个黑洞要小1000倍以上,这也就意味着围绕它转动的速度也要快上1000倍。

气体绕转一圈的周期只要半个小时,而之前我们展示的M87核心的黑洞周围的气体,绕一圈则要一个月。因此一个晚上,银河系中心的黑洞会转动好多圈。这样一来,我们就不能拍摄静止图像了,而必须采用录像模式。这很好理解,就像你正尝试拍一个从你镜头前快速通过的人一样,你洗出来的照片可能会是糊的。我们必须改进我们的算法,目前已经有人在做这方面努力了。

问:我留意到你们的网络只覆盖了西半球,而在东半球几乎没有涉及,这其中有什么考虑吗?

回答:这其实是一个几何问题。目前我们在和世界各地的人们接触,寻找最佳的地点,以便可以填补进去,帮助完善我们的望远镜网络。

只要是为了完善望远镜网络,需要我们去哪里,我们就去哪里,我们有非常棒的博士后和学生正在帮助研究如何优化我们的网络布局。我们甚至制作了一张“世界热力图”,其中考虑了各种不同的因素,比如大气,对于完善网络节点的意义,当地的基础设施情况等等,只要哪里我们觉得合适,我们就会去。

我们将会和世界各国合作,将这件事(事件视界望远镜)做成。将地球变成一台望远镜的技术需要我们与各国开展广泛的合作,未来,我认为中国会在其中占据一席之地。

问:那你认为中国将会发挥什么样的作用?

回答:如果我们进入太空,那么中国在太空技术方面非常有经验,又或者我们未来建造新的望远镜,中国在这方面同样拥有专业技术。我们非常期待与中国的科学家们开展合作。

问:现在用于观测黑洞的望远镜一共有几台?未来还会再添加更多新的望远镜吗?会在哪个国家?

回答:用于观测黑洞,我们目前有8台望远镜,它们位于6处不同的地点。而现在,我们正在3处不同地点建造新的望远镜,这样一来我们就将拥有11台望远镜了。而在未来,除了拍摄更加高清的黑洞静止图像之外,我们还希望能够拍摄黑洞的录像。因为录像可以揭示黑洞演化的实时过程,比如黑洞是如何吞噬物质的,以及黑洞是如何在其南北两极产生喷流的?黑洞如何自转?以及黑洞如何与它所在的星系共同演化,等等。

问:我们知道有很多中国的科研机构参与了EHT望远镜项目,共有16位中国科学家参与其中,是这样吗?

回答:事实上应该是远超过16个人的,我不知道具体数字,因为不断有新的成员在加入我们。但是中国的科学家不仅仅是参与到数据分析工作中,他们还通过一系列东亚地区的天文台参与支持设在夏威夷的詹姆斯·麦克斯韦望远镜(JCMT),而那台望远镜对于我们来说非常重要。因此中国不仅在数据分析方面与我们展开合作,还在望远镜等其他领域与我们合作。

问:未来,除了黑洞之外,你们还有其他目标计划进行观测吗?

回答:事件视界望远镜极其强大,事实上我们可以用它对很多不同的目标进行观测。举一个例子,或许我们可以用它来观察恒星的死亡过程。不过那将会是在未来,或许是明年,或者更晚的时间。

问:今年4月份的黑洞照片让我们惊叹不已,你有没有预见到会有更加先进的技术,可以加速相关数据的处理过程?

回答:这真是个好问题!之所以我们之前花了两年多时间,是因为我们一直在反复地进行各种核对。未来,既然我们已经了解了数据分析的方法,那么我们将可以做的更快一些。不过与此同时,有更多的望远镜加入进来,我们采集到的数据也将变得越来越多。因此这里永远都存在一种紧张关系:那就是你可以采集到多少数据,以及你有多少计算机算力可以被调配过来用于数据的分析。但我认为在未来,随着我们拍摄黑洞的录像,我们将会找到更好的技术来解决这个问题的。

问:你知道中国的FAST望远镜吗?

回答:是的,FAST是一台了不起的望远镜,但是对于事件视界望远镜而言,EHT项目因为频段现在无法使用FAST,但它仍然可以被用来开展很多有趣的科学。

问:能否谈谈“突破摄星”计划(Breakthrough Starshot),这个计划的目标是飞向半人马座α。你们观测过飞向半人马座α吗?

回答:首先,那里并没有可以让我们观测的目标,因为那里并没有巨型黑洞存在。因此我们观测的目标主要还是银河系的核心,以及M87星系的核心,因此我们没有办法去帮助“突破摄星”计划。但是未来或许会有一个“突破视界”望远镜项目呢?我不知道。

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关键词:黑洞照片录像

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